快門式水下阻水裝置模態(tài)分析

羅加勝 唐彪云 譚慶 李俊

摘要：快門式阻水裝置是安裝在水下武器身管前端，用于將海水阻絕在身管外部的核心裝置。在工作中，阻水裝置除了要受到武器發(fā)射時(shí)的沖擊振動(dòng)外，還受海波的沖刷，存在著發(fā)生共振影響武器發(fā)射精度的問題，為此，建立了阻水裝置的有限元仿真模型并對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析。仿真結(jié)果表明，阻水裝置的固有頻率不在海浪頻率和武器發(fā)射振動(dòng)頻率的區(qū)間內(nèi)，在身管前端增加阻水裝置不會(huì)對(duì)武器系統(tǒng)發(fā)射精度造成壞的影響。

關(guān)鍵詞：快門機(jī)構(gòu);固有頻率;模態(tài)

引言

模態(tài)分析是一種用于研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性的常用方法。模態(tài)是指僅與機(jī)械結(jié)構(gòu)和邊界條件相關(guān)的固有震動(dòng)特性。每一個(gè)模態(tài)都存在一個(gè)與之一一對(duì)應(yīng)的特定的固有頻率、阻尼比以及模態(tài)振型。

根據(jù)模態(tài)的疊加原理，在已知曉零部件的各種載荷時(shí)間歷程的情況下，使用有效的有限元仿真軟件可以預(yù)測(cè)零部件的固有頻率。[1-15]

快門式阻水裝置安裝在用于反蛙人的水下身管武器前端，用于將海水阻絕在身管外部，防止海水涌入身管內(nèi)對(duì)投射部姿態(tài)造成擾動(dòng)。增加了阻水裝置后，發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、幾何中心以及質(zhì)心均產(chǎn)生了改變，這勢(shì)必會(huì)引起系統(tǒng)固有頻率的改變，當(dāng)系統(tǒng)固有頻率的值與激勵(lì)頻率相當(dāng)時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)的共振，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的發(fā)射穩(wěn)定性、精度、安全，嚴(yán)重時(shí)會(huì)給操作者和武器系統(tǒng)的安全帶來極大威脅。為此，本文建立了阻水裝置的有限元分析模型，對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析。

1 結(jié)構(gòu)組成

阻水裝置通過略大于身管內(nèi)徑的密封管螺紋擰緊固定在身管口部，阻水裝置的原理圖如圖1 所示。阻水裝置由球形閥、阻水筒、步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)2、水泵1、水泵2、快門式隔水閥等構(gòu)成。

阻水筒由兩截圓筒和三片隔板焊接而成，蓄水腔2 由內(nèi)筒和外筒合圍而成。蓄水腔1 由內(nèi)筒、外筒、球形閥和隔水閥合圍而成。側(cè)向小孔用于聯(lián)通內(nèi)筒和外筒。阻水筒和身管之間通過使用螺紋固定連接在一起。

2 模態(tài)分析理論[16]

海浪頻率在0.01HZ～1HZ 之間，本課題的發(fā)射裝置固有頻率在21HZ～26HZ 之間。

一般來說，零部件的高頻振動(dòng)模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生的影響很小，在分析時(shí)，一般側(cè)重考慮低階模態(tài)。

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，對(duì)于自由度為N 的一個(gè)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程可以用式（1）的常系數(shù)微分方程對(duì)加以敘述：

3 模態(tài)仿真與分析

把使用solidworks 三維建模軟件建立的阻水裝置裝配體導(dǎo)入有限元分析軟件，使用四面體對(duì)各零件畫網(wǎng)格，所有零件均賦304 不銹鋼材料，密度取為7930kg/m3;彈性模量取為200GPa。假設(shè)身管尾端固定，前端與阻水筒的螺紋連接簡(jiǎn)化為固定連接。

通過提取結(jié)果云圖發(fā)現(xiàn)，一階、二階模態(tài)，阻水裝置前端變形較為明顯，三階模態(tài)，步進(jìn)電機(jī)處位移變形較為明顯。

計(jì)算得到的阻水裝置的各階固有頻率如表1 所示，一階固有頻率的值為8.0Hz，與海浪頻率和武器發(fā)射時(shí)受迫振動(dòng)頻率不在一個(gè)區(qū)間內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)增加了阻水裝置的水下發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了1 至6 階模態(tài)仿真分析，結(jié)果表示，系統(tǒng)的固有頻率避開了海浪頻率和武器系統(tǒng)發(fā)射振動(dòng)頻率，在使用中，不會(huì)發(fā)生共振，影響武器系統(tǒng)發(fā)射精度，威脅乘員和裝備安全。

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1.（湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武器裝備技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207） 2.（海軍蚌埠士官學(xué)校? 安徽 蚌埠 233000）

3.（湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武器裝備技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207）4.（長(zhǎng)安工業(yè)有限集團(tuán)公司 重慶市400000）